JPS6148416A - 材料の分離および析出の電磁流体力学的装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 材料の分離は、材料の固有の種または材料の化合物の種
へ力を加えるかあるいは力の影響を及ぼすことにより達
成することができる。これらの力は１重力、電磁力、気
体（流体）の動力および／またはこれらの力の組み合わ
せである。これらの力は種へ異る加速を与え、これによ
り所望の分離に対して異る空間的および一時的特性を与
える。

材料は固体、液体、蒸気またはプラズマの状態、あるい
はそれらの組み合わせであることができるであろう、電
磁流体力学的方法（ｍａｇｎｅｔｏｐｌｓｍａｄｙｎａ
ｍｉｃ　　ｐｒｏｃｅｓｓ）は、これらの状態の各々ま
たは組み合わせを包含する。

′＆ｆ：磁流体力学的現象は、最初に１９６１年にカン
（Ｃａ　ｎ　ｎ）により発見され、そして米国特許第３
，２４３．９５４号に記載された。設計されかつ試験さ
れた装置は、宇宙推進の応用に意図され、そしてイオン
推進システムとして普通に知られている。主な設計およ
び性能の要件は、単一種の蒸気を完全にイオン化し、そ
してすべてのイオンを好ましい高速で空間中に加速する
ことであった。この装置は高い推力（ｔｈｒｕｓｔ）効
率をもたなくてはならず、ここでスラスタ−（ｔｈｒｕ
ｓｔｏｒ）効率は、次のように定義された：推力効率＝
η質量φη排％　”ηカ ここで　　ηｉｔ土質土質用利用 効率ン化された質量 注入された質量 イオンの平均速度 イオンの最大速度 モして　　η電力＝電力効率 手ず１力　　＝ｍ　　　　　　　Ｘ　　（２１）　　”
イオン ここで　ｍイオッ＝イオンの質量流れ 了　＝イオンの平均速度 この方法で材料を分離するこ試みはなされなかった。な
ぜなら、意図した応用はその目的の開発に向けられなか
ったからである。

電磁流体力学的現象は、プラズマと、加えられた静電場
（ポテンシャル）によりプラズマが加速されるとき生ず
る誘発された磁場との制御された相互作用からなる。こ
のタイプの相互作用の現象は、以後ホール電流効果（Ｈ
ａｌｌ　　Ｃｕｒｒｅｎｔ　　ｅｆｆｅｃｔ）と呼ぶ、
カン（Ｃａｎｎ）らの研究の意味は、キャビティ（ｃａ
ｖｉｔｙ）の陽極区域中へ制御して供給物または推進物
質を注入することであった。適切な電圧の選択および推
進物質の注入速度は、加えた磁場に対して平行な方向に
、荷電粒子（イオンおよび電子）のイオン化および加速
を生ずる。生ずるプラズマは所望の排出速度（ｅｘｈａ
ｕｓｔ　　ｖｅｌｏｃｆｔ　　　　　　’ｙ）に加速さ
れた。

本発明は、電磁原体力学を用いる新規な改良された方法
により、材料を分離することに関する。

本発明は、他の方法により分離できない材料の分離およ
び収集を可能とする。また、本発明は他の技術または方
法により分離できる材料を分離するが、より低いコスト
で分離するであろう。

本発明の方法および装置の重要な使用は、供給材料とじ
て低いコストのシリコン化合物から半導体等級のシリコ
ンを製造することである。半導体等級のシリコンは、少
なくとも９９．９９９９％の純度で精製技術によりつく
られたシリコンであると考えられる。シリコンの太陽電
池の効率よい操作のためには、半導体等級のシリコンは
実際には少なくとも９９．９９９％の純度、好ましくは
少なくとも９９．９９９９％の純度であるべきである。

他方において、少なくとも９７％の純度のシリコンは冶
金学的等級のシリコンと考えられる。商業的に入手可能
な冶金学的等級のシリコンｅ　　　　　　　はほぼ９８
％の純度である。半導体等級のシリコンは、冶金学的等
級のシリコンよりもコストがかなり高い、１９８０年に
おいて、半導体等級のシリコンはほぼ８０ドル／ｋｇの
コストであり、これに対して冶金学的等級のシリコンは
１ドル／ｋｇより低いコストである。

皮肉なことには、半導体の等級は、特定した不純物すな
わち「ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）」類をシリコンへ添
加することを必要とする製品において通常使用されるの
で、価値がある。これらのドーパントはシリコンの導電
性に影響を及ぼし、半導体装置へドナ一部分とりセプタ
一部分とをつくる。それゆえ、「半導体等級のシリコン
（ｓｅｍｆｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　ｇｒａｃｌｅ　　５
ｉｆｉｃｏｎ）Ｊは、この明細書において使用するとき
、ドーパント類が添加された高度に純粋なシリコンを包
含すると解釈すべきである。

前述のように、半導体等級のシリコンは桂々の半導体装
置、例えば、シリコンの太陽電池の製造に使用される。

太陽電池の製造コストを減少して、太陽電池の製造が太
陽電池の期待される寿命から償われるようにすることが
重要である。現在、シリコンの太陽電池は直径が約４セ
ンチメートルであり、長さがソーセージ程度であるｎ型
シリコンの単結晶から作られる。これらの結晶は遅い調
整されたペースで回転しかつ引くことにより作られる０
次いで細長い結晶をダイヤモンドのチー２ブの円形のこ
ぎりでほぼ５０ミクロンの厚さのスライスに切断する。

スライスを研磨し、重ね（ｌａｐ）、化学的に清浄し、
そして円筒形の電気炉を通して動く長い石英管から成る
拡散室内に置く、拡散室内において、結晶を＝塩化ホウ
素の雰囲気中で１１５０℃に加熱する。ホウ素化合物か
ら分解する元素状ホウ素はシリコンのウェーハの外表面
中に拡散し、こうしてウェーハをドーピングして０．３
ミクロンより薄いｐ型層をつくる。端子をつくりかつこ
こで中央にサンドイッチされたｎ型シリコンを露出する
ために、さらに加工を必要とする。

この方法は小型の電気構成成分の製造には理想的である
が、含まれる工程は太陽電池のパネルの価格を発生する
電力の１キロワット当り１２．ＯＯＯドル以上すなわち
（１９７３ドル）とする。

製造の理想的コストは製造の技術および大量生産の改善
に従い減少されることが期待されるが、価格は宇宙船の
ような遠隔地域以外の電力の生成のために商業的に使用
される太陽電池のパネルについてはなお数桁大き過ぎる
。また、多くの場合において、生産において消費される
エネルギーは太陽電池の期待される寿命から回収するこ
とができない。

半導体装置、例えば、太陽電池を他の手段により製造す
るいくつかのシステムが提案された６例えば、米国特許
第４，００３．７７０号（Ｊａｎｏｗｉｅｃｋ、ｅｔ　
　ａｌ、）（また、Ｕｎｉｔｅｄ　　５ｔａｔｅｓ　　
Ｐａｔｅｎｔ　　０ｆｆｉｃｅ　　Ｖｏｌｕｎｔａｒｙ
　　Ｐｒｏｔｅｓｔ　　Ｐｒｏｇｒａｍ　　Ｄｏｃｕｍ
ｅｎｔ　　Ｎｏ、Ｂ　　６５１０５）は、ｐまたはｎド
ープシリコン粒子をプラズマ流中に注入し、その中で粒
子を蒸発させることからなる、太陽電池の製造法を開示
している９次いで、加熱された粒子をプラズマ流から基
板上へ研出して多結晶質のシリコンフィルムを形成する
。加熱およびスプレーの１１１１、適当な雰囲気を準備
して粒子を囲んで酸化を防ぐ、しかしながら、米国特許
第４，００３，７７０号は、この技術をシリコンの精製
に使用することを示唆していない、米国特許第２．５３
７．２５５号（Ｗａｌｔｅｒ　　Ｈ，Ｂｒａｔｔａｉｎ
）は、水素と四塩化ケイ素との混合物を使用する、シリ
コン光りｅｍｆ電池のためのシリコンの析出を開示して
いる。しかしながら、この初期の技術はこれらの太陽電
池の製造および冶金学的等級のシリコンの半導体等級の
シリコンへの精製のいずれについても電磁流体力学的効
果を使用することを開示していない。

米国特許ｆｆ１３，９１６，０３４号（Ｔｓｕｃｈｉｍ
ｏｔｏ）は、プラズマ流中の半導体を基板上へ移送する
方法を開示している。プラズマは磁場により薄いフィル
ムの基板上へ向けられる。米国特許第３，９１６，０３
４号は、従来の電磁流体力学的（ｍａｇｎｅｔ　ｏｇａ
ｓｄｙｎａｍｉ　ｃ）方法の代表である。その電磁流体
力学的方法において、大量の利用効率（ｍａｓｓ　　ｕ
ｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は低
く、この方法を大量のシリコンの精製には無効とする。

また、電磁流体力学的アークを使用する析出システムを
作ることが可能であり、ここで磁気ノズルを＆ｉ気ココ
イルよび／または放電の自己磁場によりつくる。この磁
気ノズルはプラズマジェット中に高いイオン濃度を可能
とし、ジェット中のシリコンの分布を良好とする。陽極
付属装置を電磁（ｊＸＢ）力の間拡散させるかあるいは
急速に回転させ、陽極を均一に浸食させることができる
。

しかしながら、このシステムは「モードの（ｍ。

ｄａｌ）Ｊ性能を提供し、ここで質量流速の小さい変化
はこのシステムの電圧の要件に臨界的に影響を及ぼす、
このシステムにおいて、ＩＪＡ極と陰極とのｌｔＨの絶
縁体は、浸食されるか、あるいはプラズマ装置の作動中
に被覆されることにより放゛道をショートさせることが
ある。

したがって１本発明の目的は、シリコンを精製する方法
および装置、とくに冶金学的等級のシリコンをより純粋
な形態のシリコンに精製して半導体等級のシリコンを製
造する方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、大きい面積の薄いフィルムの形態
の半導体等級の材料を製造し、これによりシリコン光電
太陽電池を作るための安価な基礎製品を提供することで
ある。

本発明のさらに他の目的は、電磁流体力学的技術を用い
てシリコンのような材料を精製する方法を提供すること
である。

したがって、本発明のなお他の目的は、桂の分離に従来
の化学的還元法、従来の触媒法、蒸気移送法、レーザー
加熱、微分イオン化法（ｄ　ｉ　ｆ　ｆｅｒｅｎｔｉａ
ｌ　　　１ｏｎｉｚａｔｉｏｎ）、　　電子ビーム加熱
または溶融結晶引上げ法に依存しない、材料を分離する
新規な改良された方法を提供することである。しかしな
がら、本発明のそれ以上の目的は、選択的イオン化およ
び磁場の加速による電磁分離の新規な改良された手段を
提供することである。とくに、現在の分離装置に関して
コストが低くかつ運転のための電力が低い方法および装
置を提供することが目的である。

本発明の他の目的は、太陽電池、とくに大きい面積のシ
リコンの太陽電池に使用される大きい面積のシリコンフ
ィルムを、経済的に実施されかつ電力消費が低い方法で
形成する手段を提供することである。

本発明のなお他の目的は、太陽電池の生産コスト、とく
に生産の電力消費のコストが、太陽電池の寿命のＩＩＪ
Ｉ、太陽電池により生成されることが期待される電力の
値によりも有意に低い、地球上の用途において使用され
る太陽電池のためのシリコンを精製することである。

したがって、本発明は、その１つの面において、材料を
層状に電着により析出して半導体装２ｔを形成する装置
に関する。陰極、陽極、陽極に隣接する加速磁石および
収束磁石からなる電磁流体力学的発生器により、プラズ
マスプレーを真空室内で磁気的に加速する。収束磁石は
束のパターンを有する。プラズマスプレーがプラズマ発
生器から放出されるとき、この束のパターンを回転させ
てプラズマスプレーを異る方向に向けることができる０
本発明の１つの面において、材料をプラズマ中に注入し
てプラズマ流を発生させる手段が設けられる。これらの
注入される材料は、望ましくない不純物をプラズマスプ
レー中のシリコンから分離するために使用するキャリヤ
ーを含むことができる。また、注入される材料は、半導
体のドーｊ　　　　　　　　プ層を析出させるためのド
ーパントを含むことができる。ドープ層は、いかなる所
望の厚さであることもできる。

他の面において、収束磁石をジンバル上に配置して収束
磁石の磁束場を回転させ、これにより材料をターゲット
区域の種々の部分上に均一に析出させることができる。

さらに、本発明の他の面において、装置を使用して基板
を析出した後、半導体材料を析出させる。

なお他の面において、本発明は半導体等級のシリコンの
ような半導体材料を真空の環境において製造する方法に
関する。プラズマを陰極と陽極との間に発生させる。プ
ラズマ加速磁石で加速し、ターゲット区域上に位置する
析出区域上に収束磁石で収束させる。半導体材料１例え
ば、シリコンをプラズマ中に配置し、これによりプラズ
マ波を形成し、そしてキャリヤー物質をプラズマ流中に
注入して、半導体材料がプラズマ中に存在する聞手導体
材料を精製する。

析出区域をターゲット区域に沿って、収束磁石の束の配
向を変化させることにより動かすことができる。

なお他の面において、完成された半導体フィルムをター
ゲット区域からロボット手段により取り出して、引き続
いて、新しいフィルムを形成するごとに真空室をボンピ
ングすることを必要としないで、半導体フィルムを形成
することができる。

なお他の面において、本発明は、半導体等級のシリコン
のような材料を精製する方法、とくに真空の環境を準備
し、そしてプラズマを加速磁石で加速し、収束磁石でタ
ーゲット区域上へ収束することからなるシリコンの精製
に関する。精製すべき材料をプラズマ中に配置し、これ
によりプラズマ流を形成する。キャリヤー物質は精製す
べき材料中の不純物と結合する。したがって、材料はタ
ーゲット区域上へ析出され、同時に材料中に存在する不
純物はキャリヤー物質と一緒に、主としてキャリヤー物
質との化合物として、真空ポンプ手段により除去される
。適当な材料、例えば。

ドーパントの添加により、精製された材料をプラズマ流
中で、材料がターゲット区域上に析出されるとき、変成
することができる。

また、本発明は、アイソトープを優先的に分離する手段
を提供する。また、はとんどの化合物の分離は精製など
のために実施する。

第１図を参照すると、本発明による電磁流体力学的析出
装置１は真空ハウジング１１内に含有されている。電磁
流体力学的析出装置１の上部１３内に加速磁石１７によ
り取り囲まれたアーク形成区画１５が存在し、そして電
磁流体力学的析出装置ｌの下部は析出室１９を形成する
。装置１の中央部２１は収束磁石２３により取り囲まれ
ている。析出室１９はアークの真下に位置する。アーク
形成区画１５内のプラズマは加速磁石１７により下方に
加速されることができる。収束磁石２３は２５で全体的
に衷示される則いカラム内で、プラズマが析出室１９へ
到達するまで、プラズマを維持する傾向をもつ。

カラム２５内のイオンの一部分が析出室１９中へ投射さ
れうるように、真空ハウジング１１内で真空を維持して
、プラズマのカラム２５内のイオンがアーク形成区画１
５と析出室１９との間で他の流体により妨害されないよ
うにすることが必要である。好ましい実施態様において
、非常に高い真空を維持して、圧力が１０−’）ル以下
にする　１０−１０の真空を維持することが好ましいが
、これはとくに実質的な量のキャリヤー物質を使用する
場合非経済的であることが明らかにされた。これらの高
い真空を達成するために、従来の低温ポンプおよびイオ
ンポンプを使用して、低温ポンプとイオンポンプとの組
み合わせを使用する。

キャリヤー物質の追加の抽出は、液体窒素−冷却コイル
のアセンブリー３１により達成される。

コイルのアセンブリー３１を中央部２１に位置させて、
プラズマのカラム２５を取り囲む０次いでカラム２５内
のプラズマから逃げるガスは、コイルのアセンブリー３
１上で凝縮する。

第２図に示すように、アーク形成区画１５は棒様陰極４
１と円筒形陽極４３からなる。インゼクタ−４５は陰極
に隣接して取り付けられており、注入された流体は陰極
の上を通ることができる。

アークが陰極４１と陽極４３との間において確立された
とき、アークの付近の流体はイオン化され、こうしてイ
オン化されたプラズマを形成する。

第１図を再び参照すると、アーク形成区画１５において
イオン化された流体は加速磁石１７により加速され、そ
して収束磁石２３により収束されてプラズマの細いカラ
ム２５を形成する。しかしながら、インゼクタ−４５に
より注入される流体は異るイオン化ポテンシャルの元素
および化合物から構成されているかあるいはそれらを形
成する場合、最高のイオン化ポテンシャルをもつ元素ま
たは化合物は、イオン化される場合、磁力により影響を
受け、それゆえプラズマのカラム２５内のより低いイオ
ン化ポテンシャルをもつ元素または化合物と置換する傾
向をもつであろう、ざらに。

イオン性化合物よりはむしろ二成分系化合物が形成され
る場合、これらの化合物はプラズマ流からそれら自体非
常に急速に分離する傾向がある。こうして、このような
二成分系化合物は急速に抽出されうる。換言すると、イ
ンゼクタ−４５で流体を注入することにより形成された
イオンは加速磁石１７および収束磁石２３により形成さ
れた電磁場の影響のもとにあり、そして制限された軌道
をたどる。電磁場の影響下にない原子はプラズマ流から
自由に拡散して出る。異る軌道は材料の種を分離する手
段を提供する。

異る材料の再使用可能な異るイオン化ポテンシャルのた
め、材料は材料のすべてをイオン化することにより分離
することもできる。生ずるイオンは異る質驕およびイオ
ン化ポテンシャルをもち、それゆえ加速磁石１７および
収束磁石２３の電磁場の影響を受けるとき、異る軌道を
有するであろう。

後述するように、好ましい実施態様において、四塩化ケ
イ素はインゼクタ−４５を通して注入される主材料であ
ろう０元素状シリコンがアーク形成区画において化合物
から分離されるようになり、これにより塩素および不純
物含有塩化物が残る。ここで装置は真空ハウジングｌｌ
内の分圧（塩素の）は適切に低い値（１０−’　）にと
どまることをなお確保する間、塩素をシリコンから分離
する技術を組み込まなくてはならない、シリコンと塩素
のイオン化ポテンシャルは異るため、アークはシリコン
を優先的にイオン化するであろう、シリコンのイオンは
加えられた磁場により捕捉され、そして塩素はイオンの
細いカラム２５から拡散して出るであろう、コイルのア
センブリー３１は低温ポンピンング塔における主要な機
素を構成する。イオンのカラム２５とコイルのアセンブ
リー３１との間にバッフル５１が存在する。このバッフ
ル５１はコイルのアセンブリー３１を保護し、かつコイ
ルのアセンブリー３１がプラズマの細いビームを乱すの
を防止するはたらきをする。

プラズマの細いビーム２５が析出室へ入るとき、イオン
はターゲット５３上にイオンの細いビームを残し、こう
して層すなわち半導体装置を形成する。究極的に半導体
材料は装２１の外側で使用されることが望まれるので、
半導体装置、例えば、シリコンはターゲット区域から取
り出し可能でなくてはならない、これを達成するいくつ
かの方法が存在する： １、シリコンが接着しない半永久的層または一時的な層
をターゲット区域にわたって配置することができる。こ
の型の材料の１例は窒化ホウ素である。界面温度に依存
して、窒化ホウ素はある程度分解し、そしてホウ素は窒
化ホウ素上１　　　　　　　　　′°析出に′１°″“
″４中１拡散する１あろう、これは高度のドーピングを
生じ、シリコンの底面を導電性（はぼ＝ｔｏ−’オーム
／ａｍ）とする、これにより、底面は半導体材料から形
成されるであろう半導体装置のための裏面導体（ｂａｃ
ｋ　　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）として作用することができ
る。

２、耐火材料、例えば、モリブデンまたはタングステン
の再使用回走な支持シート上にシリコンを析出させるこ
とができる。支持体の熱サイクルを適切に制御すること
により、その上に析出されたシリコンは、２種類の材料
の熱膨張の差により、耐火性シートから破壊して開放さ
せることができる。

３、シリコンは高密度の「レーキ（ｌ　ａｋｅ）」、す
なわち、スズのような低い蒸気圧の液体金属の表面上に
析出させることができる。

シリコンを固体材料上へ析出させる場合（１および２の
場合のように）、ターゲット材料にみぞを刻んで、ター
ゲット材料上に析出する金属結晶の方向をもった生長を
促進させることが望ましいことがある。これらのみぞは
深さが５〜１９ミクロン、幅が５〜１０ミクロンであり
、隣接みぞ間の中心対中心の分離が１０〜１５ミクロン
であることができる。これはシリコンの析出間に形成す
る結晶の核化中心の整列を促進し、これにより大きい結
晶またはさらには単結晶フィルムを生成させる。

ドーパントの−・ ドーパント材料をプラズマ流中に注入して、ドープ層の
深さおよび密度を制御しながら、半導体材料上にドープ
層を形成することが可１后である。これはドーパントを
主要な半導体材料と同時に、同一の注入口からあるいは
別々に、注入することにより実施する。こうして、半導
体イオンが析出するとき、プラズマの細いカラム２５内
に配置されるドーパントは、シリコンがターゲット５３
上へ析出するとき、シリコン中へ拡散する。

また、前述のように、シリコンを窒化ホウ素上へ析出さ
せるとき、シリコンのホウ素のドーピングは、ことにシ
リコンと窒化ホウ素との間の界面付近において起こる。

支持体およびフィルムの温度はホウ素の濃度およびシリ
コン中へのホウ素の浸透を決定するであろう。

下表はこのシステムにより注入される種々の材料の物理
的性質を記載する。理想的には、注入される材料は液体
の形態である。析出させるべき元素のイオン化ポテンシ
ャルは比較的高く、そしてキャリヤー材料のイオン化ポ
テンシャルは比較的低くあるべきである。材料の融点お
よび８点は、低温材料をコイルのアセンブリー３１に通
過させることにより材料を抽出する目的に対して重要で
ある。

イオン化ポ　　塩化物および／ ■　　　材料　　　−立王ユー−ニヱ之ヱ基　　または
水−ＪＪｊＳｉ　　シｌｅコｙ　　　　２８．０６　　
　８．Ｌ２　　（融点＝ｔ４ｚｏ℃：Ｃ１１１４素　　
　　　３５．４６　　１２．９５　　　　Ｃｌ２Ｈ水素
　　　　　　１．００　　１３．５３　　　　Ｈ２Ｎ　
　窒素　　　　　１４．０１　　１４．４８　　　　Ｎ
２塩化水素　　　３６−４６　　　Ｎ、Ａ、　　　　　
ＭＣｌ−１皿上ヱー １、　　テト５’）ａｏ　　１６８．２９　　Ｎ、Ａ、
　　　ＳｉＣ１ｍシラン ２、　　　ト＋）クロロシ　１３５．４４　　Ｎ、Ａ、
　　　５ｉＨＣ１３ラン ３、　ジクロロシラ　１００．９９　　Ｎ、Ａ、　　　
５ｉＨ２Ｃ１２ン ４、　クロロシラン　　６６．５４　　Ｎ、Ａ、　　　
５ｉＨ１Ｃ１５、シラ７　　　　　３２．０９　　Ｎ、
Ａ−５ｉＨ４６、クシ５ン　　　　６２．１７　　Ｎ、
Ａ、　　　Ｓｉｚ　Ｈａ７、　　）ＩＪシ５ｙ　　　　
９２．２４　　Ｎ、Ａ、　　　５ｉ３Ｈｓ８、　テトラ
シラン　１２２．３２　　Ｎ、Ａ、　　　Ｓｉ＊Ｈ＋。

融点　　　　　　沸点　　　　　ノに気圧−一一一工一
　　　　　　、”ｃ　　　　　　　　　、トルー１０１
．６　　　　−３４．７　　１０”−２５９，１４−２
５２，８１０３ −２０９，８６−１９５，８７６０ −１１２−８３，７１，５ＸＩＯ−５ −７０５７，５７Ｎ、Ａ。

−１３４３３，ＯＮ、Ａ。

−１１２８，３Ｎ、Ａ。

−１１８，１−３０，４Ｎ、Ａ。

−１８５−１１８，８Ｎ、Ａ。

１３２．５　　　　−１４．．５　　　Ｎ、Ａ。

−１７７，４５２，９Ｎ、Ａ。

−９３，５８０Ｎ、Ａ。

・すの自ｆ　　　− １つの真空ポンプ−ダウン操作（ｖａｃｕｕｍｐｕｍｐ
−ｄｏｗｎ　　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）で多数平方メート
ルの半導体等級のシリコンのフィルムを製造するために
、支持体および／またはターゲット材料を動かすある方
法を案出しなくてはならない、固体の支持体をターゲッ
ト区域に使用する実施態様において、ターゲット５３上
に析出される太陽電池のフィルムをターゲット５３から
取り出し、真空ハウジングｌｌ内に貯蔵し、これにより
引き続くフィルムがターゲット５３上に析出されるよう
にする。

ロボット５５を使用して引き続くフィルムをターゲット
５３から持ち上げる０次いで、複数の完成されたフィル
ム５７をロボット５５により析出室１９内においてター
ゲラ）５３１−３よびプラズマのカラム２５かも離れた
ところに貯蔵する。完成されたフィルム５７の貯蔵は装
置ｌが引き続くフィルムを連続して析出できるようにさ
せることが理解できるであろう。

”１ｔＨｋによる各フィルムの析出前に、ターゲット５
３上に予備成形された支持体（図示せず）をターゲット
５３に配置させることも可能である。

こうして、完成されたフィルム５７の各々はそれら自体
のための支持体を宥し、各支持体はフィルムとともに持
ち上げられるか、あるいは後にフィルムから分離される
ことができる。

シリコンが液体金属の表面上に析出される場合において
、ロボット５５を使用してフィルムを液体の表面に沿っ
て引くことができる。フィルムは連続的に析出され、そ
して切断手段、例えば。

レーザー（図示せず）を使用してフィルムを所望の・長
さに裁断し、次いで裁断されたものを完成されたフィル
ム５７として貯蔵する。

−扱立一 第３図を参照すると、シリコンを精製する方法はシステ
ム中に注入される異る材料、ならびにアーク制御および
プラズマ収束のパラメーターを注意して制御することに
より実施される。圧力制御装置６１からの圧力を四塩化
ケイ素源６３へ加える。四塩化ケイ素をアーク形成区画
１５へ蒸発器および流れ制御装置６５により注入する。

水素源７７からの水素を注入して、追加のキャリヤーガ
スを供給して不純物を除去しかつプラズマスプレーの形
成を促進することができる。アーク形成区画１５におい
て形成される種々のガスは真空ポンプ区画７９において
抜き出される。アーク形成区画１５から放出されるイオ
ンは優先的にイオン化されて、ブロック８１により表わ
される工程においてターゲーｙトｓ３（第ｘ図）に析出
されるべきシリコンおよび他の材料を向ける。これは真
空ポンプ区画７９ならびに収束磁石２３によりなされる
ガス放出により達成される。収束磁石は、工程８３によ
り表わされるように、析出室１９内のｊ　　　　　　　
　ターゲット５３ヘイオンを向ける。工程８５において
、支持体を準備してイオンのカラム２５を受ける。この
工程は支持体を熱加工して、適切な温度において支持体
を、必要に応じて、析出した材料へ接着させるかあるい
はそれから徐々に分離させる。これはブロック８７によ
り支持体の加工の一部分として表わされている。イオン
は、ターゲットへ衝突すると、工程８９で表わされる結
晶質フィルムを形成する。７７において供給される水素
を使用してプラズマを形成し、シリコンを熱加工し、か
つシリコン層を受容するようにシリコンを鵡領すること
ができる。これはブロック９１で表わされている。

最後の処理はブロック９７において実施される。この処
理は薄いヒ素の層を析出して、得られる光電池の感光特
性を改良することを包含できる。最後に工程９９におい
て、最後のシリコンフィルムが形成した後、完成された
フィルム５７を析出室１９から取り出す。

一磁ｌ迎２１造− 大きい面積のフィルム支持体を望む場合、ターゲット５
３をプラズマの細いカラム２５に関して統合することが
必要である。この統合（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）は
、プラズマのカラム２５を屯に拡散できるようにするよ
りも大きいスプレーのパターンをターゲット５３上に提
供する。

前述のように、プラズマの細いカラム２５を液体金属の
支持体上へ収束する場合において、ロボット５５を使用
して析出した材料を液体金属の「レーキ」に沿って引き
、こうしてプラズマの細いカラム２５に関してターゲッ
ト５３を効果的に取り出すことができる。

しかしながら、固体の支持体を使用するとき、ターゲッ
ト５３またはプラズマのカラム２５を動かすことが必要
である。ターゲット５３を特定した位置に保持しようと
する場合、プラズマの細いカラム２５は収束磁石２３の
磁場をシフトさせることにより統合することができる。

これは収束磁石２３の統合部分１０１を設けることによ
り達成することができる。統合部分１０１は収束磁石２
３の一部分として機能するが、その磁石の軸をシフトさ
せるかあるいはその束のパターンをシフトさせて、プラ
ズマがターゲット５３へ到達するとき、プラズマの細い
ビーム２５を角度的にそらす　　　−ことができる、こ
れは統合部分１０１の一部分を選択的に活かすか、ある
いは統合部分１０１をジンバル装置上で物理的に回転さ
せることにより実施することができる。

本発明を好ましい実施態様であると信じられるものを記
載したが、それ以上の変更を行って電磁流体力学的精製
技術の操作効率を増大することがが考えられる０例えば
、サンドイッチに似た方式でフィルムの間に可動の支持
体または使い捨ての支持体を配置させてターゲット５３
上に複数のシリコンフィルムを析出させることが可能で
ある。

他の元素状半導体、例えば、ゲルマニウムをシリコンの
代わりに使用することができる。したかって１本発明は
好ましい実施態様に従い説明されたが、それにより限定
されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は１本発明による電磁流体力学的装置の略図であ
る。 第２図は、本発明の好ましい実施５ｇ様のアーク形成区
域の略図である。 第３図は１本発明による半導体フィルムを形成する方法
を表わすブロック線図である。 １　電磁流体力学的析出装置 １１　Ｋ空ハウジング １３　上部 １５　アーク形成区画、ホール電流加速装置。 冷たいシリコンまたは熱いタングステンの陽極 １７　加速磁石 １９　析出室 ２１　中央部 ２３　収束磁石 ２５　　ＩＢいカラム ３１　液体窒素−冷却コイルのアセンブリー４１　棒様
陰極 ４３　円筒形陽極 ４５　インゼクター ５１　バッフル ５３　ターゲット ５５　ロボット ５７　完成されたフィルム ６１　圧力制御装置 ６３　四塩化ケイ素源 ６５　蒸発器＋ソニックオリフィスまたは質量流検知装
置 ７７　水素源、Ｈ２槽 ７９　真空ポンプ区画、低温ポンプ、支持体におけるバ
ックグラウンド＜１０−４ ８１　微分イオン化＋場内のシリコンの捕捉８３　ビー
ムの直径＋低温ポンプを通って析出室へ入るチャンネル
のイオンのＷ１ ８５　支持体の処理 ８７　支持体の熱処理 ８９　シリコンフィルムを析出させて大きい多結晶１０
〜３０μを形成する ９１　シリコンフィルムをＨ２で熱処理する９７　被膜
の析出 ９９　完成されたフィルムの取り出し １０１　　収束磁石の統合部分 手続補正書（方式） 昭和５９年　９月２７日 特許庁長官　　志　賀　　学　　　殿 １、事件の表示 特願昭５ｓ−ｔｖｏｏｓｔ号 乙発明の名称 材料の分離および析出の電磁流体力学的装置お工び方法 ３、補正をする名 事件との関係　　特許出願人 ４、代　理　人〒１０７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空中で磁気的に加速されたプラズマスプレーを使
   用することにより半導体材料を精製する装置であって、 ａ）真空室および関連する真空ポンプ装置；ｂ）電磁流
   体力学的ホール効果のそれ以上のプラズマ発生器、ここ
   でこのプラズマ発生器はさらに、 陰極と、 陽極と、 前記陽極に最も近い陰極の部分に隣接して位置する加速
   磁石と、 少なくともその一部分が前記陰極に関して陽極を越えて
   位置する収束磁石と、 からなる； ｃ）プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構造
   体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持してい
   る； ｄ）前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここで
   この電力は主として直流であり、そして電力は前記プラ
   ズマ発生器にプラズマを発生することができるようにさ
   せる； ｅ）ターゲット表面、ここでこのターゲット表面は陰極
   および陽極に関して収束磁石を越えて位置する； ｆ）材料をプラズマ中に注入してプラズマ流を発生させ
   る手段； ｇ）外部から真空室内に接近可能とする改め口、ここで
   この改め口は密閉手段を有し、それによって前記注入さ
   れた材料は前記プラズマ発生器により優先的にイオン化
   され、これにより材料中の不純物はプラズマ流中に存在
   する間に分離される； からなることを特徴とする装置。 ２、材料をプラズマ中に注入する手段はキャリヤー材料
   を受け取ることができ、前記キャリヤー材料はプラズマ
   流中の半導体材料中に存在する不純物と結合して、半導
   体材料がターゲット区域において析出する前に、半導体
   材料から不純物を分離するために有効であり、こうして
   半導体材料は析出前の半導体材料の純度より大きい純度
   の状態で析出することができる特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ３、材料をプラズマ中に注入する手段はさらにドーパン
   ト材料を注入することができ、これにより前記ドーパン
   ト材料は、半導体材料がターゲット区域へ適用されると
   き、半導体材料へ適用される特許請求の範囲第２項記載
   の装置。 ４、ドーパントはキャリヤー材料と混合される特許請求
   の範囲第３項記載の装置。 ５、ロボット手段をさらに含み、そしてこのロボット手
   段は材料をターゲット区域へ動かしかつそこかり取り出
   すために操作することができる特許請求の範囲第２項記
   載の装置。 ６、陰極は熱イオン陰極である特許請求の範囲第５項記
   載の装置。 ７、元素状シリコンを、装置の運転の間に、プラズマ発
   生器中に液体として注入する特許請求の範囲第２項記載
   の装置。 ８、材料を注入する手段は材料を陰極に隣接させて注入
   する特許請求の範囲第２または３項記載の装置。 ９、陰極は熱イオン陰極である特許請求の範囲第１また
   は３項記載の装置。 １０、装置の運転の間にシリコンをプラズマ発生器へ注
   入する特許請求の範囲第１または２項記載の装置。 １１、シリコンは液体化合物として注入される特許請求
   の範囲第１０項記載の装置。 １２、シリコンは陽極に注入される特許請求の範囲第１
   ０項記載の装置。 １３、シリコンは陰極に注入される特許請求の範囲第１
   ０項記載の装置。 １４、真空ポンプ装置は低温真空ポンプおよびイオン真
   空ポンプ装置からなる特許請求の範囲第１または２項記
   載の装置。 １５、注入される材料はシリコンからなり、そして優先
   的イオン化および半導体材料からの不純物の分離はター
   ゲット表面に析出される半導体等級のシリコンを生成す
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 １６、コイルアセンブリーがプラズマ流から逃げる材料
   を凝縮させるために設けられている特許請求の範囲第１
   または１５項記載の装置。 １７、プラズマ発生器は加速磁石により取り囲まれてお
   り、この加速磁石はプラズマを加速し、これによりプラ
   ズマ中の材料はプラズマ発生器から離れる方向に移送さ
   れる特許請求の範囲第１または１５項記載の装置。 １８、真空中で磁気的に加速されたプラズマスプレーに
   より半導体接合装置の形成に使用する半導体金属を精製
   する装置であって、 ａ）真空室および関連する真空ポンプ装置；ｂ）電磁流
   体力学的ホール効果のプラズマ発生器、ここでこのプラ
   ズマ発生器は、さらに、熱イオン陰極と、 陽極と、 前記陰極に隣接して位置する加速磁石と、 収束磁石、ここでこの収束磁石の少なくとも一部分は前
   記陰極に関して前記陽極を越えて位置している、 からなる； ｃ）プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構造
   体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持してい
   る； ｄ）前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここで
   この電力は主として直流であり、そして電力は前記プラ
   ズマ発生器に前記熱イオン陰極からのイオンを有するプ
   ラズマ流を発生することができる； ｅ）半導体材料を前記プラズマ発生器へ供給する手段、
   ここでこの半導体材料は半導体に要求される純度より低
   い純度を有する； ｆ）ターゲット区域、ここでこのターゲット区域は真空
   室内に位置し、これによりプラズマ流は前記プラズマ発
   生器により排出され、次いで前記プラズマ流中の材料は
   ターゲット区域において析出することができる； ｇ）キャリヤー材料をプラズマ流中に注入する手段； ｈ）真空室の改め口、ここでこの改め口は真空室の外部
   から真空室内に接近可能としかつ密閉手段を有し、ここ
   で前記キャリヤー材料は、前記キャリヤー材料および半
   導体材料がプラズマ流中に存在するとき、半導体材料中
   の不純物と結合し、そして前記材料は優先的にイオン化
   され、これにより不純物は前記材料がプラズマ流中に存
   在する間に半導体材料から分離される； からなることを特徴とする装置。 １９、ロボット手段をさらに含み、ここでこのロボット
   手段は材料をターゲット区域へ動かしかつそこかり取り
   出すために操作することができる特許請求の範囲第１８
   項記載の装置。 ２０、半導体材料はシリコンであり、そしてシリコンは
   陽極に注入される特許請求の範囲第１８項記載の装置。 ２１、半導体材料はシリコンであり、そしてシリコンは
   陰極に隣接して注入される特許請求の範囲第１８項記載
   の装置。 ２２、真空ポンプ装置は低温真空ポンプおよびイオン真
   空ポンプ装置からなる特許請求の範囲第１８項記載の装
   置。 ２３、プラズマ発生器へ供給される半導体材料は冶金学
   的等級のシリコンであり、そして優先的イオン化および
   半導体材料からの不純物の分離はターゲット区域に析出
   される半導体等級のシリコンを生成する特許請求の範囲
   第１８項記載の装置。 ２４、コイルアセンブリーがプラズマ流から逃げる材料
   を凝縮させるために設けられている特許請求の範囲第１
   ８または２３項記載の装置。 ２５、プラズマ発生器は加速磁石により取り囲まれてお
   り、この加束磁石はプラズマを加速し、これによりプラ
   ズマ中の材料はプラズマ発生器から離れる方向に移送さ
   れる特許請求の範囲第１８または２３項記載の装置。 ２６、真空中で磁気的に加速されたプラズマスプレーに
   より半導体接合装置の形成に使用する半導体金属を精製
   する装置であって、 ａ）真空室および関連する真空ポンプ装置；ｂ）電磁流
   体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラズマ発生器は
   、さらに、 陰極と、 陽極と、 前記陽極に最も密接した前記陰極の部分に隣接して位置
   する加速磁石と、 収束磁石、ここでこの収束磁石の少なくとも一部分は前
   記陰極に関して前記陽極を越えて位置する、 からなる； ｃ）プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構造
   体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持してい
   る； ｄ）前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここで
   この電力は主として直流であり、そして電力は前記プラ
   ズマ発生器にプラズマを発生することを可能とする； ｅ）ターゲット表面、ここでこのターゲット表面は前記
   陰極および前記陽極に関して前記収束磁石を越えて位置
   する； ｆ）材料を前記プラズマ中に供給してプラズマ流を発生
   させる手段； ｇ）外部から改め室の内部に接近可能とする改め口、こ
   こでこの改め口は密閉手段を有する；ｈ）コイルアセン
   ブリー、ここでこのコイルアセンブリーは前記収束磁石
   内に実質的に同心的に位置しかつ前記プラズマから逃げ
   るガスを冷却しこれにより前記ガスを凝縮する；および ｉ）バッフルアセンブリー、ここでこのバッフルアセン
   ブリーは前記コイルアセンブリー内に実質的に同心的に
   位置しかつ前記プラズマを取り囲んで前記コイルアセン
   ブリーを前記プラズマから保護しかつ前記プラズマから
   分離する； からなることを特徴とする装置。 ２７、真空中で磁気的に加速されたプラズマスプレーに
   より半導体接合装置の形成に使用する半導体金属を精製
   する装置であって、 ａ）真空室および関連する真空ポンプ装置；ｂ）電磁流
   体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラズマ発生器は
   さらに、 熱イオン陰極と、 陽極と、 前記陰極に隣接して位置する加速磁石と、 収束磁石、ここでこの収束磁石の少なくとも一部分は前
   記陰極に関して前記陽極を越えて位置する、 からなる； ｃ）プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構造
   体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持してい
   る； ｄ）前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここで
   この電力は主として直流であり、そして電力は前記プラ
   ズマ発生器に前記熱イオン陰極からのイオンを有するプ
   ラズマを発生することを可能とする； ｅ）ターゲット区域、ここでこのターゲット区域は真空
   室内に位置し、これによりプラズマ流は前記プラズマ発
   生器により排出され、次いで前記プラズマ流中の材料は
   ターゲット区域において析出することができる； ｆ）材料をプラズマ流中に注入する手段； ｇ）真空室の改め口、ここでこの改め口は真空室の外部
   から真空室内に接近可能としかつ密閉手段を有する； ｈ）コイルアセンブリー、ここでこのコイルアセンブリ
   ーは前記収束磁石内に実質的に同心的に位置しかつ前記
   プラズマから逃げるガスを冷却しこれによりこのガスを
   凝縮する；および ｉ）バッフルアセンブリー、ここでこのバッフルアセン
   ブリーは前記コイルアセンブリー内に実質的に同心的に
   位置しかつ前記プラズマを取り囲んで前記コイルアセン
   ブリーを前記プラズマから保護しかつ前記プラズマから
   分離する； からなることを特徴とする装置。 ２８、真空中で磁気的に加速されたプラズマスプレーに
   より金属を精製する装置であって、ａ）真空室； ｂ）電磁流体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラズ
   マ発生器は、 １）陰極と、 ２）陽極と、 ３）前記陰極に隣接して位置するプラズマ加速手段と、 ４）プラズマ収束手段、ここでこの収束手段は前記陰極
   に関して前記陽極を越えて少なくとも部分的に位置する
   、 ５）前記プラズマ発生器は前記真空室内において支持さ
   れている； からなる； ｃ）前記プラズマ発生器に電力を供給し、これにより前
   記プラズマ発生器にプラズマ流を発生することを可能と
   する手段； ｄ）真空室内に位置して前記プラズマ流中に含有される
   材料を受け取るターゲット区域； ｅ）材料をプラズマ流中に注入する手段；および ｈ）コイルアセンブリー、ここでこのコイルアセンブリ
   ーは前記プラズマ流に関して取り囲まれて位置しかつ前
   記プラズマから逃げるガスを冷却し、これにより前記ガ
   スを凝縮する； からなることを特徴とする装置。 ２９、前記陰極は熱イオン陰極からなる特許請求の範囲
   第２８項記載の装置。 ３０、前記プラズマ加速手段は磁石からなる特許請求の
   範囲第２８項記載の装置。 ３１、前記プラズマ収束手段は磁石からなる特許請求の
   範囲第２８または３０項記載の装置。 ３２、前記電力は主として直流からなる特許請求の範囲
   第２８項記載の装置。 ３３、真空室の改め口をさらに含み、ここでこの改め口
   は真空室の外部から真空室内に接近可能としかつ密閉手
   段を含む特許請求の範囲第２８または３２項記載の装置
   。 ３４、バッフルアセンブリーをさらに含み、ここでこの
   バッフルアセンブリーは前記コイルアセンブリー内に実
   質的に同心的に位置しかつ前記プラズマ流を取り囲んで
   前記コイルアセンブリーを前記プラズマ流から保護しか
   つ前記プラズマ流から分離する特許請求の範囲第２８項
   記載の装置。 ３５、前記コイルアセンブリーは前記収束手段内に実質
   的に同心的に位置する特許請求の範囲第２８または３４
   項記載の装置。 ３６、前記収束手段は磁石からなる特許請求の範囲第３
   ５項記載の装置。 ３７、前記加速手段は磁石からなる特許請求の範囲第３
   ６項記載の装置。 ３８、半導体材料を精製する方法であって、ａ）真空の
   環境を準備し； ｂ）陽極と陰極との間にプラズマを確立し；ｃ）プラズ
   マを加速磁石で加速し； ｄ）半導体金属を含有する物質をプラズマ中に配置し、
   これによりプラズマ流を形成し； ｅ）プラズマ流を収束磁石で析出区域上へ収束し； ｆ）キャリヤー物質をプラズマ流中に注入し、ここでこ
   のキャリヤー物質はプラズマ流中の半導体材料中に存在
   する不純物と化学的に結合し、これにより半導体金属は
   前記析出前にプラズマ流中の不純物から解離される； ことを特徴とする方法。 ３９、半導体材料をプラズマ中へ注入する特許請求の範
   囲第３８項記載の方法。 ４０、半導体材料を液体の形態の元素として注入する特
   許請求の範囲第３９項記載の方法。 ４１、半導体材料をプラズマ中に熱イオン陰極の形態で
   配置する特許請求の範囲第３８項記載の方法。 ４２、半導体材料はシリコンである特許請求の範囲第３
   ８項記載の方法。 ４３、シリコンを精製する方法であって、 ａ）真空の環境を準備し； ｂ）陰極と陽極との間にプラズマを確立し；ｃ）プラズ
   マを加速磁石で加速し； ｄ）プラズマをターゲット区域に位置する析出区域上へ
   収束磁石でへ収束し： ｅ）半導体材料をプラズマ中に配置し、これによりプラ
   ズマ流を形成し； ｆ）キャリヤー物質をプラズマ流中に注入し、ここでこ
   のキャリヤー物質はプラズマ流中の半導体材料中に存在
   する不純物と化学的に結合し；ｇ）キャリヤー物質およ
   び不純物を真空室から真空ポンプにより抜き出す； ことを特徴とする方法。 ４４、陰極を前記半導体材料から作られた熱イオン陰極
   として形成することにより、半導体材料をプラズマ中に
   配置する特許請求の範囲第４３項記載の方法。 ４５、半導体材料を注入手段によりプラズマ中に配置す
   る特許請求の範囲第４３項記載の方法。 ４６、真空ポンプは低温ポンプとイオンポンプとの組み
   合わせからなる特許請求の範囲第４３または４５項記載
   の方法。 ４７、半導体材料はシリコンである特許請求の範囲第４
   ５項記載の方法。 ４８、ドーパントをプラズマ流中に選択的に注入する工
   程をさらに含み、これにより精製されたシリコンがドー
   プ層を有するようにする特許請求の範囲第４７項記載の
   方法。